钢轨表面的滚动接触疲劳裂纹和磨耗是影响钢轨寿命和运营安全的主要伤损。车轮在钢轨表面滚动时会在钢轨表面产生较大的应力应变，在循环应力的反复作用下钢轨表面材料发生持续的塑性变形，导致疲劳裂纹萌生和磨耗，钢轨表面材料的磨损则会引起钢轨型面变化，改变轮轨接触状态，影响疲劳裂纹萌生与磨耗发展过程。因此，钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗是一个同时存在、共同发展、相互影响的连续过程。随着货运列车轴重增大、客运列车速度增加，轮轨相互作用力增大，同时，钢轨硬度和材质相应提高，导致钢轨滚动接触疲劳裂纹与磨耗的共存现象更为突出，成为影响钢轨使用寿命和养护维修成本的重要因素。为了更加准确地预测裂纹萌生寿命及位置，需要在裂纹萌生预测过程中考虑磨耗的影响。现有的钢轨疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法，将轮轨接触下的磨耗累积和疲劳累积同时考虑，以磨耗引起的钢轨廓形变化为改变轮轨接触、进而影响磨耗和疲劳为特征，将疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展离散化，提出了疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测模型。由于钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生机理复杂，理论预测也难以表达疲劳裂纹与磨耗发展之间的相互关系，裂纹萌生的寿命还需要界定，因此，滚动接触疲劳裂纹萌生寿命和磨耗的预测需要实验的补充与验证。
　　本文在对比分析各种轮轨接触疲劳实验方法优劣性的基础上采用小比例轮轮滚动接触疲劳试验，模拟钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展的过程；同时，建立与小比例轮轮滚动接触疲劳试验相同的有限元模型，采用裂纹萌生-磨耗共存发展预测模型对裂纹萌生与磨耗进行预测分析。将试验结果与裂纹萌生-磨耗共存预测模型结果进行对比分析，实现对疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法的验证与评价。主要研究内容如下：
　　(1)对比分析了各种试验方法的优劣性，采用小比例试样试验的方法进行轮轮滚动接触疲劳试验，结合现场轮轨接触关系和钢轨表面的疲劳裂纹特征，设计试验方案、试验参数、试样形式以及各项试验参数的采集方法。
　　(2)建立典型滚动接触疲劳椭圆形裂纹模型，对试验观测数据进行数理统计分析，分析裂纹萌生寿命、位置以及裂纹萌生与磨耗发展之间的关系，提出疲劳裂纹萌生寿命的具体内涵与界定标准。
　　(3)考虑了试样接触型面磨耗对材料内应力应变状态的影响，基于试样接触型面特点，将磨耗划分为2个阶段。根据小比例双轮试验建立对应模型分别采用赫兹接触理论与有限元方法进行数值分析。
　　(4)根据试样有限元分析结果，采用Archard磨耗预测模型计算试样接触面的磨耗量，假设在试样滚过一个接触斑长度试样的接触状态不发生变化的前提下，可通过叠加一个接触斑内接触点所在纵向长条所有单元格的磨耗量，得到试样接触点的磨耗量。基于临界平面法，考虑试样磨耗引起的型面变化量化单次载荷循环对试样造成的疲劳损伤，根据Miner线性损伤累积准则，计算试样循环过程中的疲劳损伤累积量，预测疲劳裂纹萌生寿命与位置。
　　本文取得的主要研究成果如下：
　　(1)完成了小比例双轮试样滚动接触疲劳试验，试验模拟轴重为25t货车与U71Mn钢轨轨头R80圆弧段的接触应力，纵向蠕滑率为0.002，试验过程中检测试样表面裂纹长度、磨耗量、粗糙度等参数。
　　(2)给出了疲劳裂纹萌生寿命的定义，以裂纹长度达到0.10mm(100μm)时的载荷作用次数作为试样的裂纹萌生寿命，建立了钢轨材料滚动接触疲劳椭圆形裂纹模型。
　　(3)试验状态下试样的磨耗量随载荷作用次数的增加呈线性增加趋势，阶段1的磨耗发展率约为7.55μm/万次，阶段2的磨耗发展率约为6.40μm/万次。
　　(4 )试验状态下的裂纹萌生寿命为1.85×105次，相当于通过总重为4.63MGT，裂纹萌生于试样亚表面，距离磨耗后的接触表面深度约为0.034mm，裂纹启裂方向与滚动方向呈30°~60°角。试样接触表面裂纹长度随载荷作用次数增加呈波动发展趋势，且磨耗发展率较大时，裂纹长度发展率较小，磨耗与裂纹发展具有相互竞争的关系。
　　(5)基于试样接触型面“分段”迭代的思想，将试样型面的变化考虑到裂纹萌生预测过程中，将赫兹接触理论与有限元方法的分析结果进行对比分析，保证了有限元分析结果的准确性。
　　(6)基于有限元分析结果，采用Archard磨耗预测模型预测的阶段1的磨耗发展率约为7.54μm/万次，阶段2的磨耗发展率约为5.81μm/万次。
　　(7)基于有限元分析结果，采用疲劳裂纹萌生-磨耗共存预测模型预测裂纹萌生寿命、位置、启裂角度。预测的裂纹萌生寿命为1.11×105次，相当于通过总重为2.78MGT，裂纹萌生于试样亚表面，距离磨耗后的接触表面深度约为0.031mm，裂纹启裂方向与接触表面呈5°~10°角，与滚动方向呈40°~50°角。通过对比疲劳裂纹萌生-磨耗共存预测方法预测结果与双轮试验观测结果以及现场观测分析结果验证了疲劳裂纹萌生-磨耗共存预测模型的可靠性。